新能源動力電池的創(chuàng)新競賽到哪一步了？

    很難想象如果生活中沒有了電池會是什么樣子。且不說滿大街送外賣的快遞小哥要急紅了眼，大多數(shù)已經(jīng)患上“電子產(chǎn)品重度依賴晚癌”的現(xiàn)代人顯然無法適應沒有了愛瘋、PSP的日子；放眼望去，滿大街溜溜跑的純電動汽車失去了用武之地，由一塊小小的電池建構(gòu)起的現(xiàn)代生活似乎瞬間分崩離析...

    只要經(jīng)常各地飛的朋友們不難發(fā)現(xiàn)，機場里除了咖啡館和各種餐館常常人滿為患，大家候機時最喜歡待得地方，莫過于各個登機口旁邊放置的充電柱，因為現(xiàn)在無論哪個牌子的智能手機，如果連續(xù)使用，續(xù)航都超不過6~8個小時；而面對市場上眾多品牌的電動車型，單次充電續(xù)航里程的多少，也成了消費者購買電動汽車的主要衡量標準，甚至“里程焦慮”（Range Anxiety）這樣的詞匯也應運而生。

    原地踏步？

    像電池這種在現(xiàn)代生活中扮演著重要角色的儲能產(chǎn)品，卻遲遲跟不上前沿科技快速前進的腳步，而赤裸裸的現(xiàn)實只會令人更加郁悶，特別是硅谷很多創(chuàng)業(yè)家對電池技術(shù)的發(fā)展缺乏類似“摩爾定律（Moore's Law）”這樣的理論支撐而深感惋惜。

    “摩爾定律”是由英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾于1965年提出的，他預測“計算機芯片每18個月性能都會翻倍，但成本卻在逐漸降低”。對英特爾這樣的芯片商而言，摩爾定律的出現(xiàn)反倒成了刺激其技術(shù)突破的外部力量，所以電池產(chǎn)業(yè)亟待一場能夠帶來翻天覆地變化的革命力量。

    誠然，我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾姵匾呀?jīng)在性能上有了大幅提升，但是相比摩爾定律描述的芯片技術(shù)的革新速度，仍相差萬里。目前大多數(shù)移動電子設(shè)備和電動汽車都靠鋰電池功能，而正是索尼在20世紀90年代將其實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。在過去的幾年里，鋰電池的重量越來越輕，但容量和性能卻與日俱增，像蘋果MacBook Air使用的大尺寸鋰電池，在正常工作模式下，可實現(xiàn)12小時的超長待機。

    美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory），電化學技術(shù)小組負責人Vincent Battaglia認為“鋰電池是一種近乎理想的電池”。因為鋰是地球上重量最輕的金屬，相比鉛、鋅和鎳鎘這些比重更大的替代品，它攜帶電子的能力更勝一籌。此外，鋰電池不會出現(xiàn)鎳鎘電池的“記憶效應”，所以你完全不必等電量耗盡，隨充隨用也不用擔心會對電池造成傷害。

    但現(xiàn)在的焦點其實在鋰電池自身的相對短板上。鋰的過于活潑導致安全性問題，能量密度偏低，儲電成本偏高等。

    盡管目前很多科研人員都在努力嘗試，但大家面臨的主要問題在于如何將理想化的實驗成果轉(zhuǎn)化為可大批量生產(chǎn)的、日常生活能夠使用的電池產(chǎn)品。由于在電極材料的選擇和制造工藝上，并無大幅改觀，因此不少科學家對鋰電池能量密度是否能在現(xiàn)有水平上得到進一步提升，仍持保留意見。

    鋰電池電極、電解質(zhì)的各種創(chuàng)新

    目前Battaglia博士領(lǐng)導的實驗小組正在研究一種名為“過渡金屬”（transition metals）的材料。這是一種由金屬錳、鎳、鈷和石墨組成的混合物，可用來充當鋰電池的電極。Battaglia表示只要找到上述四種金屬的最佳配比，就能夠有效提高原有鋰電池的能量密度。相比開發(fā)一款全新電池產(chǎn)品所耗費的精力和財力，這種“借力”的方式實在是有夠機智！

    其他機構(gòu)的研究人員則探索了多種提高電池能量密度的方式。來自美國斯坦福大學的崔毅和他的同事們正在開發(fā)一種薄膜，它的厚度只有原子大小，可用來包裹電池陽極。據(jù)悉，經(jīng)過薄膜包裹處理后的陽極能夠承載鋰離子的數(shù)量大幅增加，同時搭配用硫制成的陰極（硫，和金屬鋰類似，有著很高的能量密度），其存儲的電能總量約為同質(zhì)量鋰電池的5倍。

    無獨有偶，美國橡樹嶺國家實驗室的梁誠度（音譯）及其研究團隊有著類似的實驗成果。他們正在開發(fā)的一款鋰硫電池并沒有采用傳統(tǒng)液態(tài)或膠狀的電解質(zhì)，而是“劍走偏鋒”的使用了固態(tài)電解質(zhì)，這使得電池本身會變得更加穩(wěn)定，即使能量密度大幅提升也不用擔心出現(xiàn)過熱起火的事故。不過遺憾的是，即便這些電池目前已經(jīng)具備了商業(yè)化的條件，但在正式推向市場之前，還有著很長的一段路要走。

美國橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的鋰硫電池

    其實，一些體積非常小的固態(tài)電池在小型裝置和傳感器上并不陌生，它們經(jīng)常被用作微型芯片的備用電源。不過這種固態(tài)電池的生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)鋰電池大為不同，和半導體的制作工藝頗為相似，即將電池材料通過“印刷”的方式置于底層基板上。

    盡管這種固態(tài)電池的能量密度極高，但如若生產(chǎn)用于手機和電動汽車使用的大型產(chǎn)品，成本造價則太過昂貴。為此，已經(jīng)有很多公司在積極嘗試改變這一現(xiàn)狀。Sakti3作為密歇根州本土的一家電池供應商，目標是將“鋰-*電池”每千瓦時的儲能費用降至100美元左右，而英國知名吸塵器制造商戴森近日則為這家公司注資1500萬美金，用于支撐該研究項目的進行。此外，德國大眾集團數(shù)月前曾購入一家位于硅谷、致力于固態(tài)電池研究的初創(chuàng)公司——QuantumScape的5%股權(quán)。

    從理論上來看，鋰空氣電池的能量密度最高，而空氣的使用則會大幅降低該電池的重量。盡管研究人員數(shù)年一直在嘗試制作類似的鋰電池，但目前還只是停留在試驗階段，尚無任何可投入商用的重大成果推出。